aerogel یکی از فوق عایق ها

مقدمه. 2

تاریخچه : 3

تعریف فنی ( technical definition): 10

انواع ( Types) : 12

ایرژل آلومینا ( Alumina aerogels ) : 13

ایرژل های دیگر ( other aerogels) : 13

تولید ( production) : 15

مقدمه

ساخت و بهبود مواد عایق از روزهای نخستین پیشرفت و تکامل بشر ادامه داشته است . انسان های نخستین با پوست حیوانات گرمایش خود را تضمین می کردند و مدت طولانی زمان برده تا انسان توانست منسوجات مصنوعی را تولید کند . امروزه نیز بشر به دنبال عایق های بهتر می گردد . عایق هایی که با وزن و حجم کمتر اتلاف گرما را مینیمم کنند . ایروژل aerogel یکی از فوق عایق هایی است که کاربردهای فراوان در زمینه های مختلف دارد . 
ایرژل ( Aerogel ) یک ماده ی جامد و با دانسیته ی خیلی خیلی پایین است . 
که از ژل مشتق می شود . در ایرژل اجزای مایع ژل با گاز جایگزین می گردد و نتیجه ی کار ماده ای جامد با دانسیته ی پایین و دارای چندین خاصیت استثنایی است . 
مهمترین خاصیت ایرژل عایق بودن آن است .         
ایرژل با القاب دود فریز شده ( frezen smoke ) ، دود جامد ( solid smoke ) ، یا دود آبی ( blue smoke) شناخته می شود . که علت این نامگذاری به خاطر طبیعت نیمه شفاف این ماده و نحوه ی تفرق نور در آن است .  
ایرژل شبیه فوم استیرن ( styro foam) است . 

ایروژل، سبک ترین ماده جامد شناخته شده در جهان است که چگالی اش تنها سه برابر هواست. ویژگی های منحصربفرد این ماده آن را یکی از پرکاربردترین مواد بکار رفته در عملیات تحقیقاتی فضایی ساخته است؛ بخصوص آن هایی که در ارتباط با اخترزیست شناسی بودند. 

تاریخچه : 

چندی پیش در منطقه فینیکس واقع در آریزونا در کشور آمریکا، کشاورزی بنام دیوید هادسون به ماده ی سفید رنگی که در سرتاسر زمینهای زراعی اش گسترده بود مشکوک شد و مقداری از آنرا به آزمایشگاههای معتبر سپرد تا به او بگویند که این ماده سفید رنگ متشکل از چه مواد اولیه ای است. اما در عین ناباوری، پاسخ آزمایشگاه این بود:You Have Pure Nothing یعنی شما یک ماده ای دردست دارید که خالصاً هیچ چیز مشخصی که در جدول عناصر تعریف شده باشد در آن به چشم نمی خورد!

اما پس از چندی یک آزمایشگاه روسی به روش آزمایش آمریکاییها شک کرد و روش جدیدی را برای آنالیز این ماده ی عجیب پیش رو گذاشت که صحیح تر بود و بلاخره پرده ی جادویی کنار رفت و عنصر تشکیل دهنده رخ نمود.
این ماده شکل دیگری از اتم های طلا بود که بصورت یک نانو رشته (رشته ای از الکترونها که از پی هم قرار می گیرند و شکل یک تسبیح نخ شده را دارد) در آمده بود. نام علمی آن ORME یا ORMUS مخفف Orbitally Rearranged Monotomic Element می باشد.
آزمایشات بعدی، اما، حیرت آورتر بودند. برای وزن کردن آن، یک پیمانه ی خالی را ابتدا وزن کردند و سپس مقدار مشخصی از این گرد سفید رنگ را درون پیمانه ریخته مجدداً وزن کردند و در عین ناباوری در تمام این توزینها، همواره وزن پیمانه+وزن گرد سفید رنگ از وزن پیمانه ی خالی “کمتر” بود! آزمایشی که چندین بار تکرار شد و همواره یک پاسخ را ارائه می داد. گویی که 40 درصد از جرم این ماده در جهان ما و 60 درصد دیگر آن در جهانی موازی با جهان ما سیر می کند.
نکته ی مهم زمانی به چشم آمد که محققان، پیمانه ی لبریز از ماده سفید رنگ را حرارت دادند و مشاهده کردند کهدر حرارت بسیار بالا وزن پیمانه به سمت صفر گرم سوق پیدا کرد. یعنی “با حرارت دادن به این ماده، می توان جاذبه را دفع نمود”.
ناسا با بهره گیری از این ترکیب جدید طلای بسیار ناب (The Pure Gold) توانست ماده ی جدیدی اختراع کند با نام آیروژل (AeroGel) که به خودی خود از هوا سبک تر است و فرم خالص آن می تواند در هوا شناور باشد و همچنین با حرارت دادن به آیروژل، این ماده می تواند وزنهایی بیش از وزن خود را نیز در هوا معلق نگاه دارد. ناسا از این ژل در تحقیقات گسترده ای بهره می برد. (در ویکیپدیا جستجو کنیدAeroGel )
اما چندی پیش، در “صحرای سینا” (علاقه مندان به آثار سیچین توجه فرمایند) معبدی متعلق به راهبان مصر باستان کشف شد که درون آن آکنده بود از پودری سفید رنگ! آزمایش این ماده نشان داد که شباهت زیادی بین این پودر تازه کشف شده با نانو رشته ی طلا وجود دارد. مصریان باستان به این ماده “مفکات” می گفتند و راز تهیه آن در دست راهبان مقدس بوده است.
ترکیب مفکات با حرارت می توانسته بی وزنی را بهمراه آورد و شاید راز چگونگی ساخته شدن اهرام عظیم مصر در همینجا نهفته باشد.
به این نکته توجه کنید: نام تمام اشکال هندسی (چه به فارسی و چه به لاتین) مستقیما به شکل هندسی آنها اشاره می کند. مثلاً دایره از دوار بودن می گوید، مثلث از سه ضلعی بودن. اما در این بین نامی که برای شکل هندسی “هرم” در نظر گرفته شده یک استثنای عجیب است. هرم در لاتین Pyramid ترجمه شده که از ترکیب دو کلمه ی Pyro بمعنی “آتش” و Amid بمعنی “گرفته شده” تشکیل شده است. بنابراین Pyramid یعنی Fire Begotten یا از آتش گرفته شده!!! حتی اسم عربیِ “هِرم” نیز از ریشه هُرم بمعنی حرارت و داغی گرفته شده و اشاره ای به شکل هندسی آن ندارد.

همانگونه که کتاب “اسرار گمشده صندوقچه مقدس” اثر لارنس گاردنر اشاره دارد، اخیراً توجه دانشمندان به این عنصر مرموز معطوف شده است که در جدول تناوبی عناصر یافت نمی شود.

این پودر سفید رنگ غیر محسوس که از خانواده فلزاتی همچون طلا و پلاتنیوم بدست می آید، عنصری مونوتومیک (ساختاری از ماده که از اتمهای واحد تشکیل شده است) خوانده می شود. آنچنانکه این ماده توسط کاشف آن، دیوید هادسون، در سالهای دهه ی 1980 Orme نام گذاری شد که مخفف OrbitallyRearranged Monatomic Element (عنصری که اوربیتال آن بصورت تک اتمی بازچیده شده باشد) می باشد. بصورت عمومی و تجاری نام Ormus یا M-State برای این پودر سفید رنگ پذیرفته شده است.

ثقل سنجی حرارتی نشان داد که این ماده در حرارت بالا شروع به بی وزن شدن می نماید تا جایی که حتی می تواند در هوا شناور شود. حتی در شرایط خاصی این پودر سفید طلا می تواند به خاصیت ابر رسانایی برسد و یا در ابعاد دیگر عالم طنین ایجاد نماید.

در اسطوره های یونان باستان تلاش برای یافتن این ماده بصورت “افسانه پشم طلایی” تجلی یافته، در حالیکه در کتاب مقدس می توان رد این ماده را در داستان مربوط به صندوقچه ی عهد (که به دستور خدا توسط موسی در صحرای سینا ساخته شد و نهایتا به معبد سلیمان در اورشلیم منتقل شد) جستجو نمود. در بین النهرین باستان نیز از این پودر سفید رنگ یاد شده و نام آن شم-آن-نا یا “سنگ آتش” بوده است، درحالیکه مصریان به آن “مفکات” (mfkzt) می گفتند و اسکندر نیز آنرا با نام “سنگ بهشت” می ستود.

این پودر “سنگ آتش” رازآلود، بعنوان یک ماده خوراکی و به شکل نان های مخروطی و یا بصورت معلق بر سطح آب، به پادشاهان و فراعنه اختصاص می یافت. این ماده بعنوان غذایی برای “کالبد اختری” شناخته می شد که استعداد رهبری، آگاهی ذاتی، ادراک و فراست را در نزد شاهان و رهبران ارتقا می داده است. همچنین به تازگی ارتباط مابین این ماده جادویی با راز طول عمر نیز مکشوف گشته است.

امروزه، کمپانی های متعددی در حال تولید محصولاتی هستند که بر پایه مواد M-State بنا شده اند. برخی از طلا بعنوان فلز پایه بهره می برند، و برخی دیگر نیز از مشتقات پلاتنیوم که از رسوبات کف دریاها و یا منابع زمینی ای همچون دهانه های آتشفشان ها و یا محل برخورد شهاب سنگها استحصال می شود بهره می برند. از آنجاییکه روشهای متداول آنالیز مواد فلزی، برای شناخت M-State ها نا مناسب و نا کارآمد است لذا می توان گفت که هنوز بسیاری از تواناییهای این ماده در پرده ی ابهام باقی مانده است.

فیلسوف قرن هفدهم، ایرنائوس فیلالِتِس (فردی که مورد احترام آیزاک نیوتن، روبرت بویل، الیاس اشمول و دیگر اعضای کالج سلطنتی بریتانیا در عصر خود بوده است)، اثری را در سال 1667 نگاشت با نام “راز، بر ملا شد”. وی در این مقاله به بحث پیرامون “سنگ فلاسفه” می پردازد که تا آن زمان به اشتباه به “هر ماده ای که فلزات را به طلا تبدیل کند” گفته می شد.

فیلالتس مستقیماً به اصل موضوع می پردازد و آنچنانکه از اسناد می توان فهمید، وی سنگ فلاسفه را خودِ طلا می داند و اعلام می کند که به خلوص رساندن طلا می بایست تلاشی باشد که فلاسفه به انجام می رسانند. او می افزاید: ” سنگ ما چیزی نسیت جز طلا که به بالاترین درجه خلوص و لطافت (نرمی) رسیده باشد. بدان سنگ می گوییم چراکه خواص ذاتی آن اینگونه نشان می دهد؛ این ماده جلوی آتش را می گیرد همانطور که مابقی سنگها نیز اینچنین می کنند. در گونه ی خود این ماده همان طلا است، اما خالص تر از هر خالصی؛ این ماده ای جامد و نسوز است همانند سنگ، اما شکل ظاهری آن مانند پودری خالص و نرم است”.

چند قرن زودتر در سال 1416 شیمی دان فرانسوی، نیکولاس فلامل، می نویسد که وقتی فلز ناب در نهایت کمال آماده سازی شد، پودر عالی و سفید رنگِ طلا بدست می آید، که همان “سنگ فلاسفه” می باشد.

وقتی به مصر باستان باز می گردیم، ارجاعات بیشتری را به مفکات (mfkzt) باز می یابیم که به اماکن مقدسی در آن ناحیه اشاره دارند. یکی از این اماکن مقدس (نزد مصریان باستان) معبد کارناک می باشد و گنجینه ای متعلق به تاتموسیس سوم. در دیوار نگاره های معبد کارناک در قسمتی که مربوط به فلزات است، تعدادی شئی مخروطی شکل به تصویر درآمده است و در توضیحشان قید شده که این اشیاء از طلا ساخته شده اند اما نکته عجیب نام این اشیاء مخروطی شکل است:”نان سفید!”. مشخصاً از این نان در مراسمی بهره برده می شد که مختص فراعنه بوده و آنان پس از پشت سر گذاشتن روزه ای 40 روزه با این نان مقدس روزه شان را باز می کردند و پس از این مراسم بوده که فرعون فرامین سالیانه خود را صادر می کرده است. تحقیقات بعدی ما نشان داد که این ماده ی سفید رنگ مستقیماً با افزایش ادراک و فراست و قوه ی مدیریت در ارتباط است چراکه پس از مصرف خوراکی آن توانمندی نیمه راست مغز را با توانایی نیمه ی چپ مغز برابر می گردد.

رد پای این پودر سفید را همچنین می توان از اسنادی که به اسکندر مقدونی باز می گردد جستجو نمود. همواره این داستان را از اسکندر شنیده ایم که وی بدنبال راز جاودانگی اقدام به سفر به بهشت نمود که بر اساس قراین بهشت در آنزمان سرزمین هخامنشیان، سرزمین اهورا مزدا، خدای نور و خرد بوده است. هدف وی یافتن “سنگ بهشت” بوده است که خواصی جادویی داشته از جمله افزایش عمر (جاودانگی). امروزه دانشمندان سرگرم مطالعه بر روی DNA انسان می باشند و ارتباطی را مابین پودر سفید طلا و طول عمر DNA یافته اند.

می توان خصوصیات پودر سفید طلا را به اینگونه بر شمرد:

1-      خاصیت ضد جاذبه در حرارت های بالا

2-      خاصیت ابر رسانایی در حرارت بالا

3-      اتصال کوانتومی به دیگر جهانهای موازی (Quantum Entanglement)

4-      عدم مشابهت با ساختار عناصر جدول مندلیف

5-      درصورت برهم خوردن ساختار رشته ای، با نوری بسیار درخشان منفجر می شود

6-      بدلیل ساختار اتمی تک رشته ای، امکان تبدیل این ماده به مواد دیگر وجود دارد

7-      درصورت مصرف خوراکی، افزایش کارآیی مغز انسان را در دو نیمه چپ و راست بدنبال دارد

استیون کیاستلو ( steven kistler) در سال 1931 این ماده را تهیه کرد . جالب است بدانید که تهیه ی این ماده نتیجه ی شرط بندی بین کیستلر و چارلز لرند ( charles learned) بود . 
آن دو می خواستند بدانند که چه کسی می تواند مایع داخل یک ماده ی ژلاتینی ( ژل مانند ) را بدون اینکه انقباض پیدا کند با گاز جایگزین کند . اولین نتیجه ایرژل سیلیکا ( silica aerogel) بود . 
ایرژل را از مواد مختلفی می توان تهیه کرد . کیستلر کار خود را بر روی سیلیکا ( ) ، آلومینا ( ) کرومیا ( ) و اکسید قلع پایه گذاری کرد .      
ایرژل کربن ( corbon aerogel) اولین بار در اوایل دهه ی 1990 تولید شد .

عکس 1: یک آجر 2/5 کیلوگرمی را می توان تنها با 2/38 (گرم ) ایرژل جانشین کرد . 

تعریف فنی ( technical definition): 

ایرژل طبقه ای از مواد مزوپورس با ساختار باز است . که بیش از 50 % حجمی آن را تخلخل تشکیل می دهد . به طور نمونه ، ایرژل هایی که از 90 ـ 8/99% هوا تشکیل شده اند . با دامنه ی دانسیته ی 109 ـ 150 میلی گرم بر سانتیمتر مکعب ساخته شده است . 
نام ایرژل به ماده ی خاصی نسبت داده نمی شود . در حقیقت ایرژل ها از مواد گوناگون مانند : سیلیکا ( ) ، آلومینا ( ) ، اکسیدهای فلزاتی چون لانتانیدها مانند CdSe ، CdS ، پلیمرهای آلی و غیر آلی و کربن تشکیل و تهیه می شوند . 
به هر حال کلمه ی « ایرژل » غالباً برای اشاره خاص به ایرژل سیلیکا استفاده می شود . 
خواص ( property) :        


عکس 2 : خواص عایق کاری ایرژل   
ایرژل شبیه یک دود شفاف اما جامد و سفت است . چیزی بین فوم استیرن ( Styrofoam peanut) و فوم های فلورال سبز ( green floral foam) که برای نگه داشتن گلهای مصنوعی استفاده می شده است . بر خلاف برداشتی که از نام ایرژل می شود این ماده ماده ای کاملاً خشک است . و از لحاظ خواص فیزیکی شبیه ژل نیست . ( نام ایرژل از این حقیقت مشتق گشته که این ماده از ژل مشتق شده است ) . به عنوان مثال : فشار دادن به نرمی یک ایرژل برجستگی ایجاد نمی کند . فشار دادن محکم تر ایجاد یک فرورفتگی دائمی می کند و فشار به اندازه ی کافی و محکم باعث یک شکستگی دامی و فاجعه مانند در ساختار پرآکنده می شود و موجب شکستگی شبه شیشه ای در آن می گردد . به این خاصیت تردی ( friability ) گویند . بر خلاف این حقیقت که ایرژل مستعد شکستن است از نظر ساختار خیلی قوی است و توانایی نگه داشتن 2000 برابر وزن خود را دارد . 
ساختار ایرژل شبیه یک فرکتال است که تخلخل هایی کوچکتر از 100 نانومتر دارد . سایز متوسط و دانسیته تخلخل ها را در طی فرآیند تهیه می توان کنترل کرد . 
اینکه عایق حرارتی عالی است . به دلیل اینکه این ماده از سه حالت انتقال گرما جلوگیری می کند . یعنی ایرژل هم رسانایی کم دارد . هم از همرفت جلوگیری می کند و هم به دلیل ساختارش تابش را نیز کنترل می کند .  
به دلیل اینکه هوا توانایی چرخش در ساختار ایرژل را ندارد انتقال گرما از طریق همرفت صورت نمی گیرد .         
همچنین سیلیکا به دلیل نارسانایی خوب ، ایرژل هایی تهیه شده از سیلیکا  نارساناهای خوبی اند . و از انتقال گرما به روش رسانش جلوگیری می شود. البته ایرژل های فلزدار عایق های مناسبی نیستند .        



عکس 3 : جمع آوری غبارات فضایی با بلوک های ایرژلی     
ایرژل های کربن یک عایق مناسب در برابر تابش است . زیرا کربن مادون قرمز را جذب می کند . بهترین ایرژل عایق ، ایرژل سیلیکا است . که کربن به آن اضافه کردیم . به دلیل طبیعت نم گیر و ظاهر خشک آن این ماده به عنوان عامل خشک کن مورد استفاده قرار می گیرد . 
ایرژل به خودی خود یک ماده ی هیدوفیل است . اما عوامل شیمیایی آن را هیدورفوب می کد . اگر ایرژل رطوبت جذب کند معمولاً تغییرات ساختاری می دهد و منقبض می شود . 

انواع ( Types) : 

ایرژل سیلیکا ( silica aerogel ) : 

ایرژل سیلیکا معمولاً ساده ترین نوع ایرژل است . و به طور گسترده مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفته است . این ماده بر پایه ی سیلیکا است . و از ژل سیلیکا مشتق می شود . 
کم دانسیته ترین جامد جهان ایرژل سیلیکا است .   



عکس 4 : ایرژل عایقی فوق العاده 

ایرژل آلومینا ( Alumina aerogels ) : 

ایرژلی که به وسیله ی اکسید آلومینیوم تهیه شود به ایرژل آلومینا معروف است . این ایرژل برای کاربرد کاتالیزور مورد استفاده قرار می یگرد . به خصوص هنگامی که یک فلز ذوب شده در آن استفاده شود . ایرژل نیکل ـ آومینا معمولی ترین ترکیب از این گروه است . 
ایرژل آلومینا همچنین به وسیله ی ناسا برای محاسبه ی سرعت ذرات سریع استفاده گشته است . 

ایرژل های دیگر ( other aerogels) : 

سی ژل ( SEA gel ) شبیه یک ایرژل آلی است که از آکار ( agar) ساخته می شود . 

استفاده ها ( uses) : 

کاربردهای متنوعی برای ایرژل ایجاد گشته است . به صورت تجاری ، ایرژل به صورت تکه های گر انول برای پنجره های سقفی در ماده های دیگر استفاده می شود .     
یک گروه تحقیقاتی ، پس از بررسی های مختلف ( گروه تحقیقاتی و میت کامت Vomit Comet ) با روشهای خاص ، با بهبود خواص نوری ، ایرژل شفاف ساختند . 
ایرژل شفاف یک کاده ی مناسب برای مواد عایق کاری برای پنجره است . به خصوص که انتقال گرما را کاهش می دهد .        
به خاطر سطح زیادش کاربردهای فراوانی یافته است . به عنوان مثال : جاذب های شیمیایی برای جمع آوری مایعات ریخته شده بر روی سطوح است . این خاصیت همچنین پتانسیل بالایی به این ماده می دهد . مثلاً : به عنوان کاتالیزور یا محل کاتالیزور ( catalyst carrier ) استفاده می گردد .         
ذرات ایرژل همچنین استفاده می شود به عنوان عامل زخیم کننده ( thichening agent ) در بعضی از رنگها و وسایل آرایشی .        
تولیدات تجاری پتوهای ایرژل از سال 2000 آغاز شد . یک پتوی ایرژل یک کامپوزیت از ایرژل سیلیکا و تقویت کننده های الیافی است . که ایرژل ترد را با با دوام می کند . همچنین به آن خاصیت انعطاف پذیر می دهد .       
خواص مکانیکی و گرمایی تولیدات بر اساس انتخاب الیاف تقیوت کننده متنوع می گردد . همچنین ایرژل زمینه نیز بر این خواص موثر است . این خواص به مواد افزودنی نیز وابسته اند . ناساس ( NASA) از ایرژل برای تمیز کردن اجزای گرد و غبار فضایی روی سفینه های فضایی مورد استفاده کرد . اجزاء تحت ضربه و فشار بخار می شوند . و از میان گازها می گذرد ، اما ایرژل گازها را در خود حبس می کند . ناسا همچنین از ایرژل برای عایق حرارتی مارس روور ( Mars Rover ) و وسایل فضایی استفاده می کند .         
و ... 
این ماده همچنین در خازن ها استفاده می شود که حجم خازن ساخته شده توسط این ماده 2000 تا 5000 بار کوچکتر از مشابه آن با مواد دیگر است . 
و ... 

تولید ( production) : 

ایرژل سیلیکا به وسیه ی خشک کردن یک ترکیب کلوئیدی از سیلیکا در یک محیط خاص تولید می شود . به طور خاص ، پروسه به وسیله ی حل یک ماده ی مثلاً ( ) در یک الکل مثلاً اتانول آغاز می شود . ( ایجاد یک ژل سیلیکا ) سپس به وسیله ی یک پروسه ای که به خشک کردن فوق بحرانی ( supercritical drying ) معروف است . الکل از ساختار ژل خارج شده و بدون ایجاد انقباض ساختار به حالت ایرژل در می آیند . البته روشهای متنوع و جالبی جدیداً کشف شده است که با کاهش هزینه تولید ایرژل مقدور می شود .

قطعه ای از ایروژل

ایروژل در سال ۱۹۳۱ توسط “استیون کیستلر”، یکی از پژوهش گران دانشگاه استنفورد ایالات متحده کشف گردید و گاهاً به دلیل شکل ظاهری اش آن را “دود منجمد” نیز می نامند. هر چند قطعه ای از ایروژل به ابعاد یک انسان تنها ۰٫۵ گرم وزن خواهد داشت، ساختار درونی آن به گونه ای است که قادر است وزن یک اتومبیل کوچک را تحمل کند! ویژگی منحصربفردش در خصوص عایق گرمایی موجب شد تا مسئولین ناسا آن را برای جلوگیری از یخ زدگی روبات سوئجرنر در شب های مریخ، به کار ببرند. به علاوه این ماده برای جمع آوری مواد سرگردان موجود در فضا بسیار ایده آل است و در جریان مأموریت “استارداست” از آن برای جذب مواد موجود در هاله پیرامون دنباله دار وایلد-۲ استفاده شد.